滹沱河倒虹吸管身混凝土施工仿真分析

2013-11-04王志刚

水科学与工程技术 2013年3期

关键词：龄期底板顶板

王志刚

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

滹沱河倒虹吸工程位于河北省石家庄市正定县西柏棠乡新村北，是南水北调中线干线京石段应急供水工程的控制性项目，南水北调中线干线工程首批开工项目之一。

滹沱河倒虹吸工程管身为3孔一联的钢筋混凝土矩形箱涵结构，单孔过水断面尺寸为6m×6.2m（宽×高），顶板、底板和侧墙的断面厚度均为1.3m，中墙厚1.2m，管节长20m。具体如图1所示。

倒虹吸建筑物级别为1级，倒虹吸管身段采用普通混凝土C30W6F50。

图1 滹沱河倒虹吸混凝土管身断面单位：mm

2 基本资料及计算参数

2.1 计算目的

通过仿真模型模拟计算混凝土浇注施工过程，计算出混凝土的温度场，考虑热分析和结构的耦合作用，计算出浇注过程中混凝土的温度分布图，并验证管身内外壁的混凝土应力状况。

2.2 基本资料

表1 管身C30W6F50混凝土施工配合比

2.2.1 混凝土配合比及浇注分层

管身C30W6F50混凝土施工配合比，如表1所示。

滹沱河倒虹吸每节管身段施工均分为3层，先施工底板（2.1m）,再施工边墙（4.1m）,后顶板（2.6m）。其中底板先浇注，间隔9d浇注中墙，再间隔9d浇注顶板。

2.2.2 环境温度

滹沱河倒虹吸工程所处区域7月份多年平均气温26.6 ℃，1月份多年平均气温-2.7 ℃，极端最高气温42.7 ℃，极端最低气温-19.8 ℃，多年平均气温12.5 ℃。

2.3 计算参数

2.3.1 弹性模量

混凝土弹性模量采用公式：

式中E(t)为混凝土龄期时的弹性模量；E28为混凝土龄期28d的弹性模量；t为混凝土龄期（d）。

2.3.2 绝热温升

混凝土绝热温升采用公式：

式中T(t)为混凝土t龄期绝热水化热温升（℃）；c为混凝土的比热，取0.96kJ/(kg·℃)；r为混凝土密度（kg/m3）。

2.3.3 热学特性

线膨胀系数9×10-6/℃,导热系数10.6kJ/（m·h·℃）,比热0.96kJ/（m·℃）,等效系数5.83kJ/（m2·h·℃）

2.4 荷载

计算考虑混凝土浇注温度、浇注及养护期间的气温变化、水泥水化热引起的温度变化。

3 有限元分析模型

3.1 计算范围

由于结构具有两个对称轴，所受温度作用也可近似看作关于这两个轴对称，故取倒虹吸管身的1/4作计算。底部取1m深基础，基础长度方向同倒虹吸混凝土管身，宽度方向比管身宽1m。

3.2 边界条件

3.2.1 温度场计算边界条件

混凝土与空气接触部分施加热交换条件，对称面上施加绝热边界条件，基础底部及四周施加绝热边界条件。

3.2.2 结构计算边界条件

基础底部及四周施加沿截面法线方向的刚性链杆，倒虹吸管身对称面上施加沿截面法线方向的刚性链杆。

3.3 计算模型

3.3.1 结构坐标系

模型的建立采用直角坐标系，管身宽度方向为x轴，从左向右为x轴正向；竖直方向为y轴，向上为正；水流方向为z轴，逆水流为正。坐标原点位于倒虹吸管身左外侧面与底板地面和长度方向对称面的交点上。

3.3.2 模型计算

计算采用国际通用软件ANSYS完成。有限元模型单元总数8320个，节点总数10710个。有限元模型采用8节点六面体单元，热分析采用solid70单元，结构分析采用solid45单元，模型如图2所示。

图2 滹沱河倒虹吸混凝土管身有限元网格

4 计算结果

4.1 施工期温度场仿真计算

根据浇注及养护期间的混凝土内部温度实测资料，绘制的底板和中墙混凝土温度随龄期变化曲线，与仿真计算得到的温度随龄期变化时程线及一定数量荷载步浇注及养护期间的混凝土温度场变化情况，两条混凝土温度随龄期变化时程线基本吻合（如图3～图6）。

图3 实测气温及底板混凝土内部温度过程曲线

图4 有限元计算底板混凝土内部温度过程曲线

图5 中墙混凝土内部实测温度过程曲线

图6 有限元计算中墙混凝土内部温度过程曲线

由于水化热作用，浇注后混凝土内部温度迅速上升，在浇注48～72h后达到最高温度；混凝土内部最高温度在38 ℃～42 ℃之间，混凝土水热化温升在25 ℃～32 ℃之间，之后开始缓慢下降。各层混凝土浇注后，当混凝土达到最高温度后由于表面散热，温度下降较快，而混凝土内部，特别是在底板及顶板对应于中墙部分，温度下降较慢；中墙侧面温度下降较快，而底板及顶板的侧角部分及各层的结合处，温度变化幅度很大。在采取有效保温措施的情况下，混凝土内外温差最大值可达7 ℃。如果不采取保温措施，当外界气温较低时，则混凝土表面温度受气温影响也会较低，此时由于混凝土内部温度高，混凝土内外温差超过设计温差要求，导致过高的温度应力，致使混凝土开裂。因此，不但在气温较低时对混凝土要采取保温措施，当昼夜温差较大时对混凝土采取保温措施也非常必要。

4.2 施工期应力场仿真计算

4.2.1 底板表面正应力

底板表面正应力如图7～图8所示，根据底板表面z向、x向最大正应力时程曲线，其中z向正应力最大值0.2MPa，出现在管身中部区域，远小于C30混凝土的强度设计值。x向正应力最大值0.6MPa，出现在管身中部底板表面靠近侧墙区域，远小于C30混凝土的强度设计值。

图7 底板表面z向最大正应力时程曲线

图8 底板表面x向最大正应力时程曲线

4.2.2 墙体表面正应力

图9给出了底板与中墙结合处z向最大正应力点σz时程曲线，图10给出了底板与中墙结合处x向最大正应力点σy时程曲线。

图9 底板与中墙结合处最大z应力时程曲线

图10 底板与中墙结合处最大y应力时程曲线

中、边墙表面z向正应力分布及具体数值基本一致，中、边墙表面y向正应力分布及具体数值基本一致。中、边墙表面的z向正应力最大值出现在管身中部底板与中墙的浇注层结合处，其最大正应力1.4MPa，小于C30混凝土的强度设计值，出现在底板浇注后15d时。从时间上看，此时底板混凝土达到一定强度，对墙体浇注时温度变化产生的变形有一定约束作用，此时也正是中墙混凝土降温期。中墙和顶板结合处的正应力值到计算结束时还在增长，但由于中墙对顶板的约束作用较底板对中墙的约束作用小，因此可预计最大拉应力不会超出底板与中墙的浇注层结合处。图10中y向最大正应力值1.1MPa，出现在近底板处外墙表面，应力小于C30混凝土的强度设计值。

4.2.3 顶板表面正应力

由图11可以看出,顶板上表面x向正应力最大值1.04MPa，出现在管身的顶板与中墙结合的区域，小于C30混凝土的强度设计值。

图12可以看出，z向正应力最大值0.99MPa，小于C30混凝土的强度设计值。